干法布袋除尘工程设备选型及管道设计计算改进.docx
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干法布袋除尘工程设备选型及管道设计计算改进
干法布袋除尘工程设备选型及管道设计计算改进
岳雷
（中冶东方工程技术有限公司动力所，包头014010）
摘要：
本文题过对原有设备选型与管道设计进行总结与分析，提出了设计方法的改进。
设计计算改进主要涉及到除尘设备箱体的选择和内部过滤风速的选定，同时考虑到各部分管道的重新核算。
本文提出了对管道内流速过高部分的设计改进方法，比较了改进后的设计预期效果。
关键词：
干法布袋除尘；管道设计；箱体
CalculatingModificationforEquipmentandPipeofDryBag-typeDustCollectingintheConceptualDesign
YueLei
（BehitbyseductiveeastengineeringLtd.Drivingforceinstitute,BaoTou014010）
Abstract:
Thecalculatingmodificationforequipmentandpipeofdrybag-typedustcollectingintheconceptualdesignhasbeentalkedaboutontheorigindesign.Themodificationwilldealwiththequantityofthedustcollectorsandfilteringairspeedandcheckthecalculatingofthepipedesign.Thepipedesignmodificationwillbetalkedaboutonthepartwhichishighvelocityofflow,andtheimprovementwillbecomparedwiththeorigindata.
KeyWord:
drybag-typedustcollecting,pipedesign,dustcollector
一、设备选型与管道设计方法与步骤
在讨论设备改进和管道设计的改进之前要先简述与分析原有算法的每个计算步骤和使用的计算公式。
计算举例及使用的计算数据将参考包钢四号高炉布袋除尘设计参数。
布袋除尘计算具体分为以下几个步骤：
确定设计所需的参数（参考表1-1）
序号
项目
操作条件
1
炉顶煤气压力
最大压力：
0.25MPa
正常压力：
0.18MPa
常压炉顶压力：
0.04MPa
2
煤气流量
最大流量：
46×104Nm3/h
正常流量：
42×104Nm3/h
常压流量：
24×104Nm3/h
3
煤气温度
正常温度：
~200℃
事故温度：
~280℃
4
荒煤气含尘量
≤5~10g/m3
5
净煤气含尘量
≤8g/m3
6
滤袋直径
130mm
7
滤袋高度
6900mm
8
单个箱体滤袋数量
356
9
减压后的煤气压力
10kPa
10
箱体过滤风速
0.41m/min
（表1-1）
确定设计所需的得到的计算结果（参考表1-2）
序号
计算需要得出的项目
1
高压操作实际最大煤气量
2
正常操作实际最大煤气量
3
煤气除下的最大灰量
4
煤气除下的正常灰量
5
脏煤气管道直径
6
布袋除尘器进出口煤气管道直径
7
减压阀组前净煤气管道
8
减压阀组后净煤气管道
9
脏煤气管道实际流速
10
布袋除尘器进出口管道实际流速
11
净煤气管道实际流速
12
减压阀组后净煤气管道实际流速
13
布袋箱体个数
14
过滤面积
15
过滤负荷
（表1-2）
高炉炉顶体积校正计算
根据体积校正公式（1-1）来计算体积校正系数：
体积校正公式（1-1）
kv—体积校正系数
t—气体温度（℃）
Pdq—当地大气压力（KPa）
P—煤气表面压力（KPa）
dc—气体含水量（kg/m3）
根据炉顶煤气压力和煤气流量计算结果参见（表1-3）：
项目
kv
校核流量
（104m3/h）
标准流量
（104Nm3/h）
最大流量工况情况
0.69
31.55
46
事故状态工况情况
1.43
34.35
24
（表1-3）
比较最大流量工况情况和事故状态工况情况下的校核流量结果，决定使用较大的一个数值，即事故状态工况情况34.35×104m3/h，并使用这个数值进入下一个步骤的计算。
确定所需要的箱体个数：
首先要确定每个箱体的过滤面积和过滤负荷。
根据过滤面积计算公式（1-2）和过滤负荷核算公式（1-3）进行循环试算的方式来确定箱体数目。
对于过滤面积我们一般会采用34m3/m2h来衡量是否选用工作箱体数量。
大于34m3/m2h会使箱体负担过重，箱体容易老化，而当过滤负荷小于34m3/m2h时，箱体负荷不够导致箱体浪费。
最终得到计算结果，参考表1-4。
过滤面积计算公式（1-2）
S—单个箱体的过滤面积（m2）
D—单只布袋直径（mm）
H—单只布袋高度（mm）
N—单个箱体内布袋数量
过滤负荷公式（1-3）
Fs—整组箱体的过滤负荷（m3/m2h）
Q—煤气流量（104Nm3/h）
S—单个过滤面积（m2）
n—箱体个数
项目
过滤负荷（m3/m2h）
过滤面积（m2）
9箱体工作
38.04
9024.32
10箱体工作
34.23
10027.05
11箱体工作
31.12
11029.73
（表1-4）
计算卸灰量
依据卸灰量计算公式计算得到结果参见表1-5。
通过计算公式得到结论，卸灰量与设备的选型和管道设计没有直接关系，而主要由荒煤气的含尘量和荒煤气量有关。
因此，卸灰量的计算不再进行讨论。
卸灰量计算公式（1-4）
W—卸灰量（t/h）
Q—气体流量（104Nm3/h）
gv—荒煤气含尘量
项目
灰量（t/h）
煤气除下的最大灰量
4.6
煤气除下的正常灰量
4.2
（表1-5）
煤气管道直径计算：
根据煤气管道直径计算公式（1-5）来计算脏煤气管道、净煤气管道、布袋进出口管道、减压装置前管道和减压装置后管道的管道内径。
一般来讲，对于管道内的流速的选择，脏煤气的流速和除尘器进出口管道的煤气流速要相对较低大约采用15m/s的流速来做参考，而净煤气管道和减压装置前的净煤气管道的流速相对较高，可采用18m/s的流速来做参考。
计算结果参考表1-6。
管径计算公式（1-5）
d—管道内直径（m）
Q0—气体流量（m3/h）
v0—气体流速（m/s）
项目
实际流量（m3/h）
选用管内径（mm）
实际流速（m/s）
脏煤气管道
343485.7
2800
15.39
净煤气管道
343485.7
2600
17.84
布袋进出口管道
34348.57
904
14.61
减压阀组前管道
343485.7
2600
17.84
减压阀组后管道
839015.1
4000
18.46
（表1-6）
二、除尘器设备选型方法与步骤的改进与讨论
通过分析以往的设计方法，得出以往方法中存在的一些问题。
首先，对于干法除尘所有的滤袋在加工过程中，因滤袋要固定在护板或者师短管上，有的还要吊起来固定在袋帽上，所以滤袋两端需要双层缝制甚至多层缝制；双层缝制的这部分因阻力加大已经无过滤作用，同时又过滤的滤袋中间还要加固定环，这部分也没有过滤作用。
因此提出以下的过滤面积计算方法，参考过滤面积计算公式（2-1）。
以往的设计方法中，计算过滤面积往往没有区分有效过滤面积和滤袋总面积两者的概念，只是简单的将过滤面积按照滤袋过滤总面积直接对等，显然这是有失设计原则的。
一般来说，大型过滤设施未参加过滤面积应占计算总过滤面积的5%~10%。
过滤面积计算公式（2-1）
S—总过滤面积（m2）
S1—滤袋工作部分的过滤面积（m2）
S2—滤袋清灰部分的总气量（m3/h）
Q—通过除尘器的总气量（m3/h）
v—过滤速度（m/min）
通过以上运算计算得出的结果与原有算法的不同点在于，原有算法基于的算法理论为，通过循环试探算法来探求一个最佳的箱体数目组合，每个箱体的过滤负荷逼近34m3/m2h，而此数字基本上属于经验计算数字，缺乏一定的理论基础和实验数据支持。
其主要缺陷在于，无法确定布袋除尘产生的非工作部分，随着除尘器箱体的增加，非参与过滤的过滤部分会逐渐增加，这样这个经验数值就会偏离真正的计算结果。
其次，不同箱体和不同的过滤风速都会对这个经验值产生影响，而且过滤风速还与除尘对象有关，参数可参考以下表2-1，并且提出以上算法。
过滤面积计算公式2-1中不仅仅考虑到未参与过滤的滤袋面积而且还考虑到不同过滤介质的过滤特性。
粉尘种类
清灰方式
反吹风（m/min）
脉冲喷吹（m/min）
炭黑、氧化硅、铝、锌的升华物以及其他在气体中由于冷凝和化学反应而形成的气溶胶、活性炭、由水泥窑排出的水泥
0.33~0.60
0.8~1.2
铁及铁合金的升华物、铸造尘、氧化铝、由水泥磨排出的水泥、碳化炉升华物、石灰、刚玉、塑料、铁的氧化物、焦粉、煤粉
0.45~1.0
1.0~2.0
滑石粉、煤、喷沙清理尘、飞灰、陶瓷生产的粉尘、炭黑（二次加工）、颜料、高岭土、灰石灰、矿石、铝土矿、水泥（来自冷却器）
0.6~1.2
1.5~3.0
表2-1
根据以上表2-1得出，设定过滤风速为0.41m/min进行数据计算，分别列出在90%~95%的有效过滤面积来重新计算过滤面积，得出以下结果列表2-2。
重新计算依据过滤负荷公式1-3来计算过滤负荷，Fs=Q/S=343485.7/13963.8=24.6m3/m2h。
除尘面积百分比
过滤面积（m2）
实际过滤面积（m2）
95%
14698.2
13963.8
94%
14802.2
13963.8
93%
15014.3
13963.8
92%
15179.3
13963.8
91%
15344.3
13963.8
90%
15514.4
13963.8`
表2-2
根据以下计算公式2-2来计算箱体个数，并依据已有的数据指定每个箱体中含356条布袋，布袋高度为6900mm，布袋直径为130mm。
计算结果参考表2-3。
箱体个数计算公式2-2
N—布袋条数
A—过滤面积（m2）
L—布袋高度（mm）
d—布袋直径（mm）
除尘面积百分比
过滤面积（m2）
布袋条数
箱体个数
95%
14698.2
5219
15
94%
14802.2
5275
15
93%
15014.3
5332
15
92%
15179.3
5390
16
91%
15344.3
5450
16
90%
15514.4
5510
16
表2-3
以往设计中，我们的布袋除尘的反吹风俗都在0.4m/min左右，建议提高过滤风速，不仅仅可以减少箱体数目，还不会影响除尘效果。
但是，计算得出的过滤负荷大大小于34m3/m2h。
因此试探将过滤风速提高到0.6m/min，得到结果列表2-4
除尘面积百分比
过滤面积（m2）
布袋条数
箱体个数
95%
9978.8
3480
10
94%
9868.1
3517
10
93%
10009.5
3555
10
92%
10119.3
3594
11
91%
10229.5
3634
11
90%
10342.9
3674
11
表2-4
此时过滤负荷为36.9m3/m2h。
因此提高过滤风速后可以有效地提高设备的使用效率。
通过以上的计算对比得出，对于高炉煤气干法除尘中，过滤箱体设备的选择和设备能力的提升需要同时考虑设备的符合度和气体的过滤效果，而以前的算法往往针对设备的考虑更多，并没有重视预除尘气体本身的特性，而导致一些由于设计而产生的设备提前老化、设备利用率不高或气体除尘不完全的不利影响。
三、减压阀组后管道设计方法与步骤的改进与讨论
通过对计算数据与原有设计数据的对比发现，针对减压阀组后的管道设计与计算数据存在着较大的差距。
原有设计数据内径为2800mm，而计算得出的结果为4000mm。
而减压阀组后的管道设计选用内径为2800mm显然过小，因为在通过减压装置之前，煤气的压力最小为40KPa，最大为160KPa，而减压后的气体为了配合管网压力，因此一般为10KPa，而因为压力差过大，会导致气体体积膨胀过大，而致使煤气的流量剧增，流量的增加会让管道内煤气流速剧增。
而通过对不同管内径的计算结果比较得出以下的列表（3-1），而表中当管道内径为2800mm时，流速已经为37.8m/s，显然这样的流速已经超出了我们的接受范围。
项目
实际流量（m3/h）
选用管内径（mm）
实际流速（m/s）
减压阀组后管道
839015.1
4000
18.5
减压阀组后管道
839015.1
3800
20.6
减压阀组后管道
839015.1
3600
22.9
减压阀组后管道
839015.1
3400
25.7
减压阀组后管道
839015.1
3200
29.0
减压阀组后管道
839015.1
3000
33.0
减压阀组后管道
839015.1
2800
37.8
减压阀组后管道
839015.1
2600
43.9
表（3-1）
计算截至为2600与减压阀组前管道一致，但是此时的流速已经达到43.9m/s。
在实际工程项目中，我们使用的减压阀组前的计算管径和减压阀组后的计算管径相差不大，如：
当减压阀组或其他的减压装置的管内径为2600mm时，那么减压阀组后的管道内径会被定义为2800mm，但是这样的选择直接导致的后果就是管道流速过大，通过以上计算流速已经达到37.8m/s。
这样的流速会导致管道的过渡磨损和管道附件的损坏。
解决这个问题的方式，最直接的方法就是增加管径，根据以上计算表单得出，至少需要将管道内径增加到3800mm才可以达到可以接受的流速。
但是，管道内径过大会使设计的整体成本增加及相关的很多的设计变动。
因此只通过增加管径的方法也是不太实际的。
考察需要降低流速的方法，因为管道内压力是一定的，而改变流速的方可以为提高管径的方法，也可以考虑降低实际流量，即降低气体温度或进行气体放散燃烧。
降低气体温度可以采用喷水等降温措施，吸取湿法除尘的经验，在湿法除尘的由于采用了水来除尘因此可以降低煤气的温度，此时煤气由于气体温度降低了，使得煤气的实际体积缩小，因此实际的流量就会降低从而降低了管道的流速。
还可以通过直接放散气体的方式来减少气体的总流量，从而降低流速。
暂时不考虑单纯的气体放散，而只考虑采用降低气体温的方法来降低流速，重新核算结果参考表3-2。
其中假定通过减压装置，气体温度会自动下降15摄氏度。
那么，将气体温度从原始的180摄氏度降至165摄氏度，然后通过降温设施来降低气体温度，重新采用内径为2800mm、3000mm和3200mm的管径来进行计算
管道内径（mm）
未降温实际气体流量（m3/h）
降温后温度（℃）
降温后气体流量（m3/h）
实际流速
（m/s）
2800
839015.1
165
811242.3
36.6
839015.1
150
783469.6
35.4
839015.1
135
755696.8
34.1
839015.1
120
727924.1
32.9
839015.1
105
700151.3
31.6
839015.1
90
672378.5
30.4
3000
839015.1
165
811242.3
31.9
839015.1
150
783469.6
30.8
839015.1
135
755696.8
29.7
839015.1
120
727924.1
28.6
839015.1
105
700151.3
27.5
839015.1
90
672378.5
26.4
3200
839015.1
165
811242.3
28.0
839015.1
150
783469.6
27.1
839015.1
135
755696.8
26.1
839015.1
120
727924.1
25.1
839015.1
105
700151.3
24.2
839015.1
90
672378.5
23.3
3400
839015.1
165
811242.3
24.8
839015.1
150
783469.6
24.0
839015.1
135
755696.8
23.1
839015.1
120
727924.1
22.3
839015.1
105
700151.3
21.4
839015.1
90
672378.5
20.6
表（3-2）
管内径、温度与流速关系图
通过以上计算得出结论，当增大管径同时降温的时候，管道内煤气流速会明显降低，其中当温度下降达到90度，即将煤气的整体温度下降50%左右的时候，此时的煤气流速会很明显的下降25%左右，从而接近我们的预期流速。
通过放散的方式也可以降低煤气的流速，因此进行煤气放散来重新计算管道内的流速，结果参考表3-3。
通过计算分析得出，直接放散煤气，至少要将总量的30%进行放散才会有明显的降速效果，但是过大的放散比率会带来环境的污染和煤气的浪费。
气体如果使用放散方法来降低流量，就不可能采用降温的方法来缩小气体的实际流量。
因为，一般来讲我们对煤气或其他的气体进行冷却是，一般都会采用水这种介质。
而随着人们环境保护意识和环境保护要求的提高，放散含水量过的煤气会导致水的消耗量过大。
而且含水量较大的煤气还会带来很多其他的问题，如：
在低温的情况下会出现管道冻结、放散口冻结等一些烈问题，而且含水量较大的煤气还不利于燃烧，如果想进行分流重新利用，还需要进行脱水处理。
放散煤气的方法或分流煤气的方法依然有一定的参考价值，在某些特定的条件下是可以使用的。
管道内径（mm）
未处理气体流量（m3/h）
放散或分流比率（%）
处理后气体流量（m3/h）
实际流速
（m/s）
2800
839015.1
5
797064.3
36.0
839015.1
10
755113.6
34.1
839015.1
15
713162.8
32.2
839015.1
20
671212.1
30.3
839015.1
25
629261.3
28.4
839015.1
30
587310.6
26.5
3000
839015.1
5
797064.3
31.3
839015.1
10
755113.6
29.7
839015.1
15
713162.8
28.0
839015.1
20
671212.1
26.4
839015.1
25
629261.3
24.7
839015.1
30
587310.6
23.1
3200
839015.1
5
797064.3
27.5
839015.1
10
755113.6
26.1
839015.1
15
713162.8
24.6
839015.1
20
671212.1
23.2
839015.1
25
629261.3
21.7
839015.1
30
587310.6
20.3
3400
839015.1
5
797064.3
24.4
839015.1
10
755113.6
23.1
839015.1
15
713162.8
21.8
839015.1
20
671212.1
20.5
839015.1
25
629261.3
19.3
839015.1
30
587310.6
18.0
表3-3
管内径、放散分流率与流速关系图
虽然放散只能作为辅助的方法来实施，但是依然有一定的参考价值，特提出放散管道的计算方法，参考放散管道内径计算公式3-1。
计算过程要保证煤气在放散时连续平稳，使得放散管道内的煤气流速要尽可能的与煤气主管道内的煤气流速相吻合，同时还可以达到放散预期。
放散管道内径计算公式3-1
d—放散管道内径（mm）
D—煤气主管道内径（mm）
η—煤气放散比率（%）
总之，通过降温、增加管径和放散等方法的综合运用可以明显地降低煤气流速，并且在降低流速的同时也控制了管径的过渡增大问题。
四、管道系统泄漏率的影响
在减压阀组前的管道、脏煤气管道、布袋进出口管道和减压阀组后的管道的计算过程中，以往的计算没有考虑煤气泄漏率，我们在进行管道设计时往往忽略了对煤气泄漏率的考察,假定泄漏率为3%。
因此，重新计算修正，得出结果表4-1。
与原先的计算数据比较得出，即使泄漏率达到3%的水平，也不会对整个系统产生严重的影响。
如果泄漏率超过3%的水平，那么基本上属于设备本身的密封性能或者管道焊接质量问题。
不过，泄漏率增加会使煤气的流量下降，而是整个系统的管道流速下降，不会对管道系统的安全产生威胁。
因此不再作过多的讨论。
项目
实际流量（m3/h）
泄漏流量（m3/h）
选用管内径（mm）
实际流速（m/s）
脏煤气管道
343485.7
10304.6
2800
15.03
净煤气管道
2600
17.44
布袋进出口管道
904
14.21
减压阀组前管道
2600
17.44
减压阀组后管道
839015.1
25170.5
4000
18.11
表4-1
参考文献：
冶金工业出版社《钢铁冶金的环保与节能》李光强朱诚意著
化学工业出版社《除尘工程设计手册》张殿印王纯著
化学工业出版社《化工装置实用工艺设计》E.E.路德维希著
化学工业出版社《化工设计》黄璐王保国著
工程资料参考：
包头市钢铁设计研究总院《包头钢铁集团公司4号高炉煤气布袋除尘工程初步设计》
包头市钢铁设计研究总院《包头钢铁集团公司6号高炉煤气布袋除尘工程初步设计》
包头市钢铁设计研究总院《青岛钢铁集团公司高炉煤气布袋除尘初步设计》
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